微地形區域輸電線路球頭掛環斷裂原因分析

蔡瀛淼，周 愷，張睿哲，李春生，楊 亮，李鴻達

（國網北京市電力公司電力科學研究院，北京 100075）

0 引言

球頭掛環作為線路桿塔與絕緣子的連接金具，其可靠性對輸電線路有重要意義［1］。對近年來金具失效事故的統計分析表明，球頭掛環斷裂導致金具失效的故障幾率遠大于其他連接金具［2-4］，尤其是微地形等氣象情況復雜的區域，球頭掛環斷裂事故頻發，給電網安全穩定運行帶來嚴重威脅［5-7］。

球頭掛環斷裂的原因涉及材料品質、結構設計、鍛造工藝、安裝質量、風荷載作用等多個方面［8-9］。本文針對一起微地形區域輸電線路球頭掛環斷裂事故，從力學性能、顯微組織、斷口形貌、荷載受力等多角度進行斷裂原因分析與研究，并提出有針對性的治理及預防措施。

1 故障概述

2019年11月，某220 kV線路故障跳閘，重合不成功。故障原因為該線路57號桿塔C相掛點處球頭掛環金具斷裂，造成56號和57號桿塔C相四分裂導線中一條子導線斷線，如圖1所示，其他3條子導線嚴重受損。

圖1 56號和57號桿塔C相四分裂導線中一條子導線斷線

2 球頭掛環斷裂分析

2.1 外觀檢查

2.1.1 絕緣子球頭掛環情況

57號桿塔絕緣子球頭掛環型號為QP-21S，故障相C相金具自根部斷裂，根部遺失。非故障相未見明顯異常，如圖2所示。

圖2 57號桿塔故障相與非故障相絕緣子球頭掛環

2.1.2 絕緣子情況

檢查發現，57號桿塔C相絕緣子高壓側端部斷裂遺失，絕緣子傘群多處外力損傷，無明顯放電痕跡，應為球頭掛環斷裂后絕緣子下墜過程中受到撞擊造成斷裂，非故障相絕緣子無明顯異常，如圖3所示。

圖3 故障線路57號桿塔C相絕緣子高壓側端部斷裂

2.1.3 絕緣子碗頭內表面情況

對比分析故障相絕緣子與非故障相絕緣子碗頭內表面情況，故障相絕緣子內表面磨損比非故障相嚴重，如圖4所示。

2.2 金具質量分析

2.2.1 力學性能分析

選取失效球頭掛環和正常球頭掛環桿部的圓棒狀拉伸試樣，其平行段直徑為5mm，長度為60 mm，標距為25 mm。

圖4 絕緣子碗頭內表面對比

失效球頭掛環和正常球頭掛環的室溫拉伸性能如表1所示。球頭掛環拉桿部應力應變曲線如圖5所示。根據失效掛環的抗拉強度，計算球頭掛環的最大拉斷力Fmax：

式中：σm為掛環的抗拉強度；S為掛環的截面積。

計算可得Fmax=271 kN，達到了標稱破壞荷載210 kN，可見材料強度滿足設計要求。

表1 球頭掛環室溫拉伸性能

圖5 球頭掛環桿部應力應變曲線

2.2.2 顯微組織分析

對失效與正常球頭掛環桿部橫截面和縱截面的光學顯微組織形貌進行分析，橫截面均為回火索氏體和鐵素體，正常掛環的鐵素體量更多；縱截面均可見明顯帶狀組織；邊部均可見明顯完全脫碳，深度分別約為80 μm和100 μm，未見裂紋，如圖6所示。鍍鋅層厚度平均值為76 μm，滿足DLT 768.7—2012《電力金具制造質量 鋼鐵件熱鍍鋅層》對鋼件鍍鋅層70 μm的要求。

圖6 球頭掛環桿部縱截面光學組織形貌

綜上，球頭掛環拉伸強度、材質、鍍鋅層厚度均符合標準要求，未發現球頭掛環質量問題。

2.3 斷口形貌分析

故障相球頭掛環斷口處可見雙側對稱月牙形斷口紋理，與球頭掛環典型疲勞斷口特征相符，如圖7所示，推測球頭掛環受雙向彎曲荷載導致疲勞斷裂。

圖7 故障線路斷裂球頭掛環斷口與典型疲勞斷口對比

2.4 地形與氣象參數分析

2.4.1 地形情況

故障區段56號—58號桿塔位于山脊迎風坡，海拔均在740 m以上，故障桿塔兩側檔距分別為473 m和651 m，屬大檔距。故障桿塔區段在冬季是覆冰故障高發區段，近年來這一區段曾多次發生覆冰故障。

架設于野外、山林、郊區等區域的桿塔，桿塔高、檔距大，輸電線路更容易受到風、雨、雪、雷電等氣象因素的影響。由于微地形地貌對氣候的影響，局部氣象參數會有較大的差異，輸電線路受局部極端天氣的影響，時常發生風害、冰害跳閘事故［10-11］。該線路故障區段正是處于這種微地形區域，具有明顯的微地形氣候特征。

2.4.2 氣象參數分析

根據氣象數據，處于微地形區域的故障線路常年受局部極端天氣影響。該線路故障前一日氣象部門發布大風藍色預警，故障當日凌晨遭受強風。故障時刻故障點附近自動氣象站點氣象參數如表2所示。

表2 故障時刻故障點附近自動氣象站點數據

由氣象參數可以看出，盡管故障時刻故障點附近的10 min平均風速并不大，但極大風速超過30 m／s。金具能否承受極端天氣下風荷載的作用，需進一步進行金具受力分析。

2.5 金具受力分析

2.5.1 垂直荷載計算

垂直荷載計算公式如下：

式中：F0為球頭掛環受力；M導為導線質量，該導線單位長度質量為1.349 kg／m，垂直檔距為656 m；M串為絕緣子串質量，該型號絕緣子質量為15 kg；g為重力加速度。計算得出F0=34 813.31 N。

2.5.2 水平風荷載計算

垂直于導線方向的水平風荷載：

式中：Wx為垂直于導線方向的水平風荷載；α為風壓不均勻系數，取0.85；W0為基準風壓標準值，W0=V2／1 600，V為基準高度為10 m的風速；uz為風壓高度變化系數，取 1.77；usc為導線體型系數，取 1.1；βc為風荷載調整系數，取1；d為導線外徑，該導線 d為0.107 28 m；Lp為桿塔的水平檔距，該線路水平檔距為562 m；B為覆冰時風荷載增大系數，取1；θ為風向與導線之間的夾角，取90°。

1）基本設計風速下水平風荷載計算。當地基本設計風速V為23.5 m／s，根據式（3）計算得到水平風荷載Wx1為60 706.76 N。

2）故障時刻實際風速下水平風荷載計算。故障時刻極大風速V為37.6 m／s，根據式（3）計算得到水平風荷載Wx2為88 164.89 N。

2.5.3 球頭掛環受力計算

1）無風情況球頭掛環受力F為：

2）基本設計風速下的球頭掛環受力F1為：

3）故障時刻球頭掛環受力F2為：

2.5.4 球頭掛環安全系數校核

球頭掛環安全系數：

式中：K為球頭掛環安全系數；F額為球頭掛環額定荷載，該型號球頭掛環額定荷載為21 kN；F為球頭掛環受力。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電設計規范》規定K≥2.5。

1）按無風情況校核。由式（7）計算得出 K為6.032，可見安全系數滿足要求。

2）按照基本設計風速情況校核。由式（7）計算得出K為4.289，可見安全系數滿足要求。

3）按照故障時刻實際情況校核。由式（7）計算得出K為2.382，可見安全系數不滿足要求。

2.6 球頭掛環斷裂原因及處理

針對微地形區域球頭掛環斷裂事故，進行了外觀檢查、力學性能試驗、顯微組織分析，排除了金具質量問題。從斷口形貌、地形與氣象參數分析、金具受力校核，明確了球頭掛環斷裂原因為：故障桿塔處于迎風坡山脊處的微地形區域，頻繁遭受強風天氣，極端天氣時風荷載作用造成球頭掛環安全系數不滿足要求，惡劣運行工況使得球頭掛環存在疲勞損傷積累，在故障當日強風作用下發生斷裂。

針對故障區段，將絕緣子由單掛點單串改為雙掛點雙串，并加強對微地形區域輸電線路的重點巡視，加大檢測力度。

3 預防措施

1）設計階段。高度重視氣象信息的收集和運行經驗的積累，微地形區域宜采用加強型金具，并按照極端天氣情況對金具受力進行校核，提高金具設計安全系數，增強抗風能力，延長金具使用壽命。

2）設備驗收階段。開展新建桿塔金具安裝前的無損檢測等入網檢測工作，從材料品質、結構設計、力學性能等方面對金具進行抽檢，避免次品入網。

3）運行階段。由于球頭掛環斷裂處于絕緣子碗頭內，長期運行存在疲勞損傷積累，在線路巡視和登塔檢查時均難以發現，因此應縮短微地形區域球頭掛環的抽樣檢查周期，并合理確定更換周期。

4 結語

本文針對一起微地形區域輸電線路球頭掛環斷裂故障，通過力學性能試驗、顯微組織、斷口形貌特征、地形和氣象參數分析，以及不同工況下球頭掛環受力的校核，得出球頭掛環斷裂失效原因為：極端天氣下風荷載作用使球頭掛環安全系數不滿足要求，微地形區域球頭掛環存在疲勞損傷積累，最終在強風作用下斷裂。在此基礎上，對微地形區域球頭掛環斷裂提出了預防措施。